Разрушение материала при растяжении
Вязкое (пластическое) разрушение. Для процесса вязкого разрушения характерны предшествующая значительная пластическая деформация (десятки процентов) и медленное развитие трещины. Образовавшаяся трещина развивается не самопроизвольно, как при хрупком разрушении, а при повышении действующего внешнего напряжения. На кривой растяжения пластичного материала может наблюдаться горизонтальная площадка, соответствующая удлинению образца без увеличения нагрузки (пластическому течению), см. рис. 8.3, в.
При растяжении образца пластичного материала разрыву обычно предшествует образование шейки — местного сужения поперечного сечения (рис. 8.42). Отметим, что при хрупком разрушении материала шейка не наблюдается, течение отсутствует, трещина развивается без увеличения нагрузки.
Процесс вязкого разрушения под действием растягивающих напряжений состоит из трех стадий. На первой (наиболее длительной) происходит образование шейки, в области шейки возникают поры, которые соединя
Рис. 8.42. Образование шейки при растяжении образца пластичного материала
ются друг с другом (рис. 8.43, а). Данные поры в большинстве случаев возникают возле включений — частиц второй фазы. Образование пор связано с различием упругих и пластических свойств металла-основы и включений и происходит либо на межфазной границе, либо путем разрушения самого включения.
Рис. 8.43. Структура поверхности медного образца, подвергнутого испытанию на растяжение: а — образование пор, начало вязкого разрушения; б — слияние пор; в — конический участок образца с порами (К.Е. Паттик)
На второй стадии по мере увеличения степени деформации наблюдается рост пор и их слияние, в центре шейки образуется небольшая трещина, перпендикулярная оси растяжения. Появление микротрещины именно в центральной части шейки обусловлено тем, что вблизи оси образца действующие растягивающие напряжения максимальны. Дальнейшее распространение магистральной трещины в обе стороны по направлению к поверхности осуществляется за счет присоединения новых пор при разрыве перемычек между мелкими порами и трещиной (рис. 8.43, б). Приближаясь к поверхности, трещина меняет направление распространения и на третьей стадии достигает поверхности под углом, близким к 45° к оси растяжения (рис. 8.43, в). Происходит отделение двух частей образца друг от друга по конусной поверхности. Заключительная коническая зона поверхности разрушения является областью интенсивного сдвига в плоскостях, наклоненных под углом ~45° коси растяжения. При этом схема напряженного состояния вокруг трещины в периферийных слоях такова, что под действием сдвиговых напряжений происходит разрушение, формирующее коническую часть излома.
Отметим, что вторая и третья стадии развиваются при напряжениях, превышающих предел прочности материала. Форма излома в виде «чашечки и конуса», возникающего в результате рассмотренного процесса вязкого разрушения, показана на рис. 8.44, а.
Рис. 8.44. Формы излома при вязком разрушении
Форма чашечного излома наиболее типична для вязкого разрушения металлов и сплавов. Тем не менее возможны и другие типы геометрии поверхности разрушения. У поликристаллических высокопластичных ГЦК- материалов высокой чистоты (имеющих мало примесных включений) образующаяся при растяжении шейка сужается до точки в цилиндрическом (рис. 8.44, б) или до лезвия в плоском (рис. 8.44, в) образце. У монокристаллов с ГПУ-решеткой, в которых скольжение по плоскости базиса заканчивается разрывом по плоскости скольжения, разделение частей растягиваемого образца происходит путем среза. Поверхность излома имеет вид одностороннего клина (рис. 8.44, г). Разрушение путем среза происходит также при
Рис. 8.45. Схема А.Ф. Иоффе, объясняющая переход от вязкого разрушения к хрупкому: 1 — разрушающее напряжение (сопротивление отрыву); 2 — предел текучести
растяжении образцов из малопластичных металлов и сплавов, например высокоуглеродистой стали.
Источник
Макеты страниц
Маленький крестик на кривой ползучести (см. рис. 18) соответствует моменту разрушения образца. Деформация в момент разрушения может быть как большой, так и малой — это зависит от материала, условий эксперимента, температуры, величины нагрузки.
Отбросив в сторону эти аспекты (мало изученные в общей постановке), рассмотрим экспериментальную
программу исследования величины сопротивления материала как функции времени. Пусть некоторое число идентичных образцов подвергается в течение длительного времени нагружению напряжениями растяжения различной величины, и в каждом случае измеряется время до разрушения На плоскости можно, таким образом, построить кривую, называемую кривой длительной прочности. Удобнее представлять ее в логарифмических координатах, как на рис. 20. Эта кривая состоит из двух почти линейных участков: первый из них (участок 1) соответствует явлению вязкого разрушения, а второй (участок 2) — хрупкого. Измерив полную деформацию после разрушения, можно видеть, что при вязком разрушении удлинение довольно существенно, а при хрупком оно мало.
Разумеется, на реальных диаграммах угловая точка должна быть заменена участком плавного перехода.
Рис. 20
Интересные результаты дают опыты на свинцовых образцах при лабораторной температуре. При приложении существенной нагрузки образец ломался за несколько секунд с деформацией порядка Снижение величины нагрузки в два раза приводило к разрушению за несколько дней, причем к хрупкому, с полной деформацией Это ясно показывает, что в каждом из случаев внутренние механизмы явления различны.
Рассмотрим более подробно процесс вязкого разрушения. Вследствие больших деформаций можно пренебречь упругой частью, а также деформацией, накопленной на первом этапе ползучести.
Запишем для скорости деформации
Из-за наличия больших деформаций выберем логарифмический масштаб для измерения степени деформирования. Таким образом,
Обозначим традиционно через условное напряжение, т. е. величину силы растяжения, деленную на величину
начальной площади сечения образца (на рис. 20 в качестве координаты использовано Со). Для реального напряже получим
или, учитывая условие сохранения объема,
Взяв производную по времени, запишем
Внеся в (13.1), придем к дифференциальному уравнению
Если член в скобках равен нулю, то величина о должна быть бесконечной — это мы и примем за наступление разрушения. Таким образом, необходимо найти решение уравнения
После интегрирования, учтя, что имеем
В плоскости это есть кривая, изображенная на рис. 21. Видно, что при скорость деформации стремится к бесконечности. Величина 4 называется временем до разрушения.
Если пренебречь мгновенной пластической деформацией, то из (13.3) следует
И значение интеграла остается конечным при отоо. Соответствующая кривая изображена штриховой линией на рис. 21.
Долговечность материала рассчитанная по (13.4) для будет больше, чем величина получающаяся из (13.3) для хотя разница и не так уж велика.
Заметим, что мгновенное разрушение образца происходит при некотором а достаточно большом, но конечном. Верхний предел интегрирования в формуле (13.4) должен быть конечным. С учетом разброса экспериментальных данных представляется сомнительным путь дальнейшего уточнения приведенных выкладок.
Разумеется, приведенная схема упрощена максимума. Однако она дает достаточно хорошие результаты, особенно для больших напряжений. Для получения прямой линии на рис. 20 необходимо выбрать закон вида
Для малых напряжений и больших длительностей опытов мгновенная деформация является почти полностью упругой. Деформация ползучести велика, но не настолько, чтобы надо было учитывать изменения геометрии. Поэтому обычно предполагается
Рис. 21
Доминирующим процессом здесь является повреждение, т. е. накопление межзеренных микротрещин вследствие диффузии вакансий из тела зерна к его границам. Это накопление повреждений характеризуется параметром о (см. 3.1), означающим уменьшение эффективной площади сечения образца. Если есть начальная площадь, то эффективная будет а эффективное напряжение а есть
Предположим, что скорость трещинообразования есть функция эффективного напряжения, т. е.
С другой стороны, можно считать, что скорость ползучести тоже есть функция лишь эффективного напряжения
Разрушение произойдет, когда эффективное напряжение достигнет значения сопротивления разрушения или же когда О) достигнет некоторого критического значения, которое заключено между О и 1.
с учетом разброса опытных данных невозможно получить точное значение этой критической точки, и проста предполагают, что в момент отрыва Выбирая функцию как можно проинтегрировать (13.5) способом разделения переменных. Интегрируя по со от О до 1, получим оценку времени до разрушения
которая соответствует участку 2 прямой в логарифмических координатах (см. рис. 20).
Промежуточная область может рассматриваться как сочетающая влияния растрескивания, значительной деформаций ползучести, а также геометрических изменений площади сечения, которыми уже нельзя пренебречь (см. ссылку [10]).
Выше не учитывался фактор упрочнения. Если же учесть его, то уравнение запишется:
Ограничимся здесь частным случаем, а именно когда функции в уравнениях (13.5) и (13.6) одинаковы с точностью до постоянного множителя. Тогда
или
где деформация в момент разрушения. Тогда уравнение ползучести будет выглядеть как
Форма его аналогична форме (12.4) с той разницей, что во втором члене больше не является параметром упрочнения; это есть упрочнение на первой стадии и растрескивание на третьей.
Источник
Разрушение это заключительная стадия деформирования материала. Оно представляет собой разделение материала на отдельные составные части. С точки зрения атомной структуры, разрушение выглядит как разрыв межатомных связей. Разрыв может происходить двумя способами: 1) Под воздействием напряжений перпендикулярных плоскости разрыва (разрыв сколом или отрывом). 2) Под воздействием напряжений параллельных плоскости разрыва (то есть разрыв сдвигом или скольжением). В реальных материалах обычно имеют место оба вида разрыва.
Различают разрушение хрупкое и вязкое. При вязком разрушении наблюдается значительная пластическая деформация материала перед разрушением, при этом разрыв межатомных связей происходит преимущественно сдвигом или скольжением. При хрупком разрушении пластическая деформация значительно меньше или совсем отсутствует, а разрыв межатомных связей происходит преимущественно сколом или отрывом. Чисто вязкое разрушение наблюдают у таких материалов как глина, пластилин, а чисто хрупкое — у и т.д. Большинству реальных материалов присущи одновременно оба вида разрушения, а подразделение материалов на хрупкие или вязкие осуществляется по преобладающему механизму разрушения. Так, глина и пластилин являются вязкими материалами, а стекло и алмаз – хрупкими.
Вид разрушения характеризуется величиной работы разрушения, видом трещины и поверхности излома, а также скоростью распространения трещины.
При вязком разрушении работа разрушения значительно больше, чем при хрупком разрушении. Работа разрушения пропорциональна площади под кривой растяжения материала:
Хрупкое разрушение наиболее опасно. Обычно оно начинается с некоторого дефекта: царапины на поверхности, выбоины, поры, неметаллических включений, сварного шва, технологических отверстий и изгибов и т.д. Хрупкое разрушение происходит в три стадии:
Зарождение микротрещины на дефектах.
Подрастание трещины до критического размера.
3) Распространение трещины через весь образец, т.е. возникновение магистральной трещины.
При хрупком разрушении третья стадия происходит самопроизвольно без дополнительного деформирования образца, то есть без дополнительного подвода энергии извне. Трещина растёт за счёт упругой энергии, накопленной на предыдущей стадии деформирования. Скорость распространения такой трещины сравнима со скоростью распространения звука в данном материале.
При вязком разрушении скорость распространения трещины зависит от скорости деформирования материала. При этом требуется подвод энергии извне, т.е. дополнительная деформация.
Хрупкая трещина имеет малый угол раскрытия, т.е. является острой трещиной и, как правило, ветвится. Вязкая трещина имеет большой угол раскрытия, т.е. является тупой трещиной.
Поверхность излома при хрупком разрушении оказывается блестящей и под микроскопом обнаруживает платообразную структуру:
При вязком разрушении поверхность излома оказывается матовой и под микроскопом обнаруживает волокнистую структуру:
У многих вязких металлов при понижении температуры наблюдается смена преобладающего механизма разрушения. Свойство материалов разрушатся хрупко при низких температурах называют хладноломкостью.
В заключение необходимо отметить, что стадия разрушения материала, с момента появления первых повреждений, может составлять до 90% долговечности конструкции
Тема №18
Методы исследования металлов и сплавов: структурные и физические
Металлы и сплавы обладают разнообразными свойствами. Используя один метод исследования металлов, невозможно получить информацию о всех свойствах. Используют несколько методов анализа.
Определение химического состава.
Используются методы количественного анализа.
1. Если не требуется большой точности, то используют спектральный анализ.
Спектральный анализ основан на разложении и исследовании спектра электрической дуги или искры, искусственно возбуждаемой между медным электродом и исследуемым металлом.
Зажигается дуга, луч света через призмы попадает в окуляр для анализа спектра. Цвет и концентрация линий спектра позволяют определить содержание химических элементов.
Используются стационарные и переносные стилоскопы.
2. Более точные сведения о составе дает рентгеноспектральный анализ.
Проводится на микроанализаторах. Позволяет определить состав фаз сплава, характеристики диффузионной подвижности атомов.
Изучение структуры
Различают макроструктуру, микроструктуру и тонкую структуру.
1. Макроструктурный анализ – изучение строения металлов и сплавов невооруженным глазом или при небольшом увеличении, с помощью лупы.
Осуществляется после предварительной подготовки исследуемой поверхности (шлифование и травление специальными реактивами).
Позволяет выявить и определить дефекты, возникшие на различных этапах производства литых, кованных, штампованных и катанных заготовок, а также причины разрушения деталей.
Устанавливают: вид излома (вязкий, хрупкий); величину, форму и расположение зерен и дендритов литого металла; дефекты, нарушающие сплошность металла (усадочную пористость, газовые пузыри, раковины, трещины); химическую неоднородность металла, вызванную процессами кристаллизации или созданную термической и химико-термической обработкой; волокна в деформированном металле.
2. Микроструктурный анализ – изучение поверхности при помощи световых микроскопов. Увеличение – 50…2000 раз. Позволяет обнаружить элементы структуры размером до 0,2 мкм.
Образцы – микрошлифы с блестящей полированной поверхностью, так как структура рассматривается в отраженном свете. Наблюдаются микротрещины и неметаллические включения.
Для выявления микроструктуры поверхность травят реактивами, зависящими от состава сплава. Различные фазы протравливаются неодинаково и окрашиваются по разному. Можно выявить форму, размеры и ориентировку зерен, отдельные фазы и структурные составляющие.
Кроме световых микроскопов используют электронные микроскопы с большой разрешающей способностью.
Изображение формируется при помощи потока быстро летящих электронов. Электронные лучи с длиной волны (0,04…0,12 ) ·10-8 см дают возможность различать детали объекта, по своим размерам соответствующие межатомным расстояниям.
3. Для изучения атомно-кристаллического строения твердых тел (тонкое строение) используются рентгенографические методы, позволяющие устанавливать связь между химическим составом, структурой и свойствами тела, тип твердых растворов, микронапряжения, концентрацию дефектов, плотность дислокаций. Физические методы исследования
4. Термический анализ основан на явлении теплового эффекта. Фазовые превращения в сплавах сопровождаются тепловым эффектом, в результате на кривых охлаждения сплавов при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба или температурные остановки. Данный метод позволяет определить критические точки.
5. Дилатометрический метод. При нагреве металлов и сплавов происходит изменение объема и линейных размеров – тепловое расширение. Если изменения обусловлены только увеличением энергии колебаний атомов, то при охлаждении размеры восстанавливаются. При фазовых превращениях изменения размеров – необратимы.
Метод позволяет определить критические точки сплавов, температурные интервалы существования фаз, а также изучать процессы распада твердых растворов.
6. Магнитный анализ. Используется для исследования процессов, связанных с переходом из парамагнитного состояния в ферромагнитное (или наоборот), причем возможна количественная оценка этих процессов.
Тема №19
Источник
Вязкое разрушение происходит обычно после значительной пластической деформации (десятки процентов). Его главными особенностями являются медленное развитие трещин и высокая энергоемкость, обусловленная необходимостью затраты значительной работы пластической деформации у вершины трещины. Поэтому вязкое разрушение – наименее опасный вид разрушения и ему уделяют не так много внимания, как хрупкому. Тем не менее анализ вязкого разрушения очень важен. Он позволяет, в частности, лучше понять механизм хрупкого разрушения и наметить меры его предотвращения. Вязкое разрушение важно при анализе поведения металлов в условиях обработки давлением, где создаются значительные пластические деформации, и разрушение, в том числе вязкое, недопустимо.
Вязкое разрушение в зависимости от материала, геометрии образца, способа и условий нагружения развивается различными способами. Поэтому соответствующая макрогеометрия поверхности разрушения также может сильно различаться (рис. 2.36).
Рисунок 2. 36 — Формы излома образцов при вязком разрушении после растяжения
Разрушение путем среза (см. рис. 2.36а) часто наблюдается при растяжении монокристаллов с ГП решеткой таких металлов, как цинк, кадмий. Поверхность излома здесь имеет вид одностороннего клина. В этом случае говорят о разрушении чистым сдвигом, и объясняется оно продолжительной пластической деформацией базисным скольжением в нескольких достаточно удаленных друг от друга полосах. Окончательное разрушение происходит в результате разрыва по плоскости скольжения.
При растяжении плоских образцов из малопластичных металлов и сплавов, например высокоуглеродистой стали, также часто наблюдается разрушение путем среза. Оно возможно и на цилиндрических образцах. В отличие от чистого сдвига в этих разновидностях среза получается менее гладкая поверхность разрушения.
В образцах из пластичных металлов сдвиг чаще происходит вдоль двух перпендикулярных плоскостей скольжения, где действуют максимальные касательные напряжения. В результате у чистых монокристаллов с ГЦК решеткой (медь, серебро) образующаяся при растяжении шейка сужается до острия в цилиндрическом или лезвия в плоском образце (см. рис. 2.36 б,в).
Наиболее характерным примером вязкого разрушения является образование чашечного излома в шейке растягиваемого образца (см.2.37). Шейка возникает после некоторого равномерного удлинения образца и является результатом локализации деформации в ограниченном объеме. Внутри шейки схема напряженного состояния усложнения по сравнению с исходным одноосным растяжением. В этих условиях и происходит зарождение и развитие вязких трещин.
Зародышевые трещины образуются по одной из выше описанных схем. Чаще всего в технических металлах и сплавах реализуется первая схема зарождения трещин – у скоплений дислокаций вблизи барьеров (различного рода включений), которые всегда содержатся в технических металлах. Возможно также появление первых трещин внутри хрупких включений, которые разрушаются раньше, чем образуются достаточно мощные дислокационные скопления в матрице. Возникшие несплошности под действием напряжений начинают постепенно расти и по достижении микронных размеров уже легко выявляются при металлографическом анализе. На начальной стадии вязкого разрушения типичным является наличие множества мелких трещин (пор), концентрирующихся в основном в центральной части сечения шейки (рис. 2.37а). По мере растяжения перемычки между порами сильно деформируются и разрушаются. В результате эти мелкие поры сливаются с образованием более крупных и в конце концов в центре шейки образуется сплошная трещина, плоскость которой в макромасштабе располагается нормально внешнему растягивающему усилию (см. рис. 2.37а). Следовательно, образование этой центральной трещины – результат разрушения путем макроотрыва. Дальнейший ее рост происходит за счет присоединения новых пор при разрыве перемычек между ними и основной трещиной.
Рисунок 2. 37 — Образование центральной трещины (а) и распределение напряжений по сечению шейки: S1 – продольное напряжение; S2, S3 – поперечные нормальные напряжения
Для того, чтобы понять, почему разрушение на начальных стадиях локализуется в центральной части шейки, необходимо проанализировать распределение напряжений по сечению шейки. Как видно из рис. 2.37б, вблизи центра образца все напряжения максимальны. Особенно велико здесь продольное растягивающее напряжение S1 , в то время как касательные напряжения распределены более равномерно. В результате трещины возникают и развиваются в средней части сечения шейки, и здесь же происходит разрушение путем отрыва с образованием центральной трещины.
По достижении центральной трещиной периферийных слоев шейки все напряжения локализуются в этих не разрушенных периферийных участках. Скорость распространения трещины резко возрастает, меняется и направление ее развития. Это направление может оказаться различным в зависимости от структуры и свойств металла. Если дальнейший рост трещины будет идти путем локального сдвига в плоскостях, наклоненных под углом ~45° к оси растяжения, то в результате появления все новых полос сдвига при развитии центральной трещины образуется излом в форме «чашечки» (см. рис. 2.36г), что характерно для многих металлов, например алюминия, при температурах от комнатной до 40К.
На всех этапах развитие вязких трещин является докритическим и сопровождается сильной пластической деформацией, которая и контролирует скорость вязкого разрушения. Закритическое развитие трещины при вязком разрушении – явление относительно редкое, встречающееся только в некоторых высокопрочных материалах.
Вязкое разрушение бывает обычно внутризеренным, даже если трещина зарождается у границ зерна. При дальнейшем росте трещины траектория ее движения проходит по телу кристаллита.
Рассмотренные особенности вязкого разрушения отражаются на структуре поверхности разрушения. При визуальном осмотре невооруженным глазом она обычно матовая, неровная, часто со следами пластической деформации в виде грубых полос скольжения.
Тонкую структуру излома выявляют с помощью фрактографического анализа – исследования структуры поверхности разрушения в световом и просвечивающем (при помощи реплик) или сканирующем электронном микроскопах. Фрактографический анализ, получивший широкое развитие в последние годы, дает важную информацию о механизме разрушения. На рис. 2.38 показаны типичные примеры микроструктуры вязкого излома. У него характерный рельеф, образуемый совокупностью отдельных ямок. Диаметр их колеблется в диапазоне 0,5 – 20 мкм. Глубина ямок, характеризующая размеры области интенсивной пластической деформации, на вязком изломе в зоне макроотрыва может быть довольно велика (несколько микрометров). Ямки на поверхности вязкого излома являются результатом образования, роста и слияния множества микропор (трещин). На поверхности разрушенных перемычек, а также на дне некоторых пор часто видны линии скольжения, образовавшиеся при пластической деформации перед разрушением. На дне многих ямок выявляются частицы избыточных фаз, что как раз и служит доказательством возникновения большинства зародышевых трещин у этих включений.
а б
Рисунок 2.38 — Типичная структура вязких изломов
На «стенках» чашечного излома наблюдаются сильно вытянутые ямки, а также области, не имеющие характерных особенностей структуры (рис. 2.38). Эти области также имеются на поверхности разрушения чистым сдвигом. Они являются результатом разрушения металла вдоль поверхности локализованной интенсивной пластической деформации скольжением.
Общего количественного критерия вязкого разрушения не существует. Для ограниченного интервала условий таким критерием может служить величина либо деформации, либо минимального нормального или касательного напряжения, достаточного для развития вязкого разрушения.
Источник